Stratospheric Observatory For Infrared Astronomy (SOFIA)

Ansprechpartner: Dipl.-Ing. Christian Engfer, Dr.-Ing. Thorsten Lutz

SOFIA open door test flight courtesy of NASA

Projektbeschreibung

Das Institut für Aerodynamik und Gasdynamik der Universität Stuttgart ist am SOFIA-Projekt beteiligt, einem Gemeinschaftsprojekt zwischen NASA, DLR, dem Institut für Raumfahrtsysteme der Universität Stuttgart und weiteren deutschen und amerikanischen Institutionen und Firmen. Im Mittelpunkt des auf 20 Jahren angelegten Projekts steht ein fliegendes Observatorium, eine Boeing 747 SP mit integriertem Infrarot-Spiegelteleskop zur astronomischen Fernerkundung.

Infrarotstrahlung liefert Informationen über die Entstehung von Sternen und Sonnensystemen, und ermöglicht einen Blick in die Vergangenheit. Wasserdampf absorbiert die IR-Strahlung, im unteren Teil der Erdatmosphäre kommt nur ein geringer Teil der Strahlung an. Oberhalb der Tropopause (rund 12-15 km Höhe) herrschen bereits gute Beobachtungsbedingungen. Das flugzeuggestützte Observatorium bietet gegenüber einer Satellitenbasis den Vorteil von wesentlich geringeren Kosten sowie eine beinahe uneingeschränkte Positionierungsmöglichkeit. Die Instrumente können während der Flüge optimiert und permanent an den neuesten Stand der Technik angepasst werden.

Das Spiegelteleskop (Durchmesser 2,7 m) ist im hinteren Teil des Rumpfes untergebracht, freie Sicht nach außen gewährleistet ein in die Rumpfstruktur geschnittenes Loch. Während des Starts ist dieses Loch durch eine Tür verschlossen, die zur Beobachtung während des Fluges geöffnet wird.

Hintergrund und Problemstellung

Die Überströmung des Hohlraums führt zu starken Verwirbelungen und selbsterregten Druckfluktuationen im Bereich des Spiegels, wobei unter Flugbedingungen ohne aktive oder passive Dämpfungsmechanismen Schallpegel von bis zu 160 dB im Hohlraum erreicht werden, die widerrum zu Körperschwingungen führen. Um die Positionierungsgenauigkeit des Teleskops zu optimieren um die Beobachtungsqualität möglichst hoch zu gestalten müssen die Druckfluktuationen unterdrückt werden. Hierfür stehen mehrere aktive und passive Methoden zur Verfügung, um die Grenzschicht stromauf der Cavity bzw. die freie Scherschicht zu beeinflussen.

Ziele in den Arbeitspaketen des IAG

Untersuchung der SOFIA cavity Aeroakustik mit Hilfe von CFD (Computational Fluid Dynamics) und CAA (Computational Aero Acoustics)
Studien zur passiven und aktiven Strömungsbeeinflussung
Analyse des Einflusses von Strömungsphänomenen auf die Positioniergenauigkeit des Teleskops
Erprobung hybrider RANS-/LES Methoden zur Simulation von Caviyströmungen
Bewertung von aero-optischen Eigenschaften von freien Scherschichten mit Hilfe von CFD
Detaillierte Analyse der SOFIA Cavityströmung mittels Drucksensoren, Thermocouples und optischen Kameras im Rahmen von Flugversuchen